Metodologia para a derivação de topologias não isoladas para conexão de baterias à rede elétrica com aterramento comum

Abstract

Conversores não isolados têm recebido maior atenção em sistemas conectados à rede elétrica por elevar o rendimento e diminuir custos. Contudo, a corrente de fuga capacitiva, ou corrente de modo comum, apresenta-se como uma dificuldade, limitando a capacidade operativa dos inversores utilizados. Novas topologias e estratégias de controle buscam reduzí-la ou eliminá-la. A partir deste estudo, um método para derivar topologias de inversores fonte de tensão não isolados de aterramento comum é proposto neste trabalho. Através do aterramento comum entre rede elétrica e o barramento CC, a corrente de fuga capacitiva é eliminada. Dessa maneira, diversos inversores com essa característica podem ser derivados através deste método. Para validação, quatro topologias de inversores abaixadores e com aterramento comum são derivadas dos conversores bidirecionais CC-CC buck-boost, SEPIC, zeta e boost-buck, os quais têm em comum o ganho estático dado por d/(1-d). Esses inversores são considerados para a conexão de sistemas de armazenamento de energia a bateria com a rede elétrica. O funcionamento de cada uma dessas topologias é comprovado mediante resultados de simulação numérica e de simulação em tempo real utilizando o sistema de Hardware-in-the-Loop Typhoon HIL402. Para o projeto do controle desta família de inversores foi utilizada a técnica de controle por realimentação linearizante. Além disso, um protótipo de 1 kW do inversor derivado do conversor zeta é construído. A experimentação realizada empregou o conversor desconectado da rede para cargas com características resistivas, indutivas e capacitivas. São apresentados resultados experimentais obtidos em laboratório, com testes realizados no protótipo experimental não otimizado. O máximo rendimento obtido foi de 95,247%. A simplicidade do conversor experimentado, a baixa quantidade de componentes ativos, a dispensabilidade do uso de grampeadores e o aterramento comum fazem dessa estrutura uma interessante opção para a aplicação mencionada. Uma análise comparativa entre as quatro topologias geradas e outros inversores não isolados com aterramento comum considerando o número de componentes, as tensões nominais, a potência de saída, a frequência de comutação, rendimento relatado em potência nominal e a necessidade de inserção de filtros adicionais, é outra das contribuições importantes deste trabalho.

Abstract: Transformerless converters have received increased attention in grid-connected systems for increasing efficiency and reducing costs. However, leakage current or common-mode current presents itself as a difficulty, limiting the operational capability of the used inverter. New topologies and control approaches seek to reduce or eliminate it. From this study, a method for deriving transformerless common-ground voltage source inverter topologies is proposed in this work. Through the common ground between the power grid and the dc link, the leakage current is eliminated. Thus, several inverters with this characteristic can be derived using this method. To validate this, four step-down common-ground inverters are derived from the buck-boost, SEPIC, zeta, and boost-buck bidirectional dc-dc converters, which have in common the static gain given by d/(1-d). These inverters are considered for connecting battery energy storage systems to the power grid. The operation of each of these topologies is proven by numerical simulation results and real-time simulation using the Typhoon HIL402 Hardware-in-the-Loop system. The linearizing feedback control technique was used to design the control of this family of inverters. In addition, a 1 kW prototype of the inverter derived from the zeta converter was designed and built. The experimentation carried out employed the converter disconnected from the grid for loads with resistive, inductive, and capacitive characteristics. Experimental results obtained in the laboratory are presented. The tests were performed on a non-optimized prototype. The maximum efficiency obtained was 95.247%. Due to the simplicity of the experienced converter, the low number of switches, no clamping circuit requirement, and the common ground, this topology is an interesting option for the above-mentioned application. A comparative analysis between the four generated topologies and other transformerless common-ground inverters in terms of the number of components, voltage ratings, output power, switching frequency, reported efficiency at rated power, and the requirement for filter insertion, is another important contribution of this work.